齿轮箱中齿轮故障与振动分析

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齿轮箱作为-种通过齿轮来传动功率的组件，在工业领域获得了广泛的应用。风力发电机组中就广泛应用了齿轮箱，随着近年来国家建设坚强智能电网”的进程不断推进，风力发电在我国获得了蓬勃的发展，对齿轮箱的应用提出了更高的要求。

本文结合风力发电的实际经验，分析了齿轮箱中齿轮故障的常见形式以及故障诊断，并着重介绍了齿轮故障的振动分析。

1齿轮箱及其在风电场中的应用风力发电机组由叶片、齿轮箱、风叶控制系统、刹车系统、发电机等组成，齿轮箱是风电场运行的重要机械部件之-，齿轮箱的设计寿命-般是20年，起到动力传输的作用，将风机的风轮产生的动力传递给发电机，并对风轮产生的较低转速进行增速，使其满足风力发电机的转速要求。

风电机组多运行于气候条件较为恶劣的山区、海岛、边疆等地，长期受到强风、温差、雨雪等外界因素作用，给齿轮箱的运行带来不利因素。齿轮箱安装于风机塔顶内，空间较为狭小，-旦出现故障较难维修和排除。据统计，齿轮箱已经成为风电场现场故障次数最多的部件之-。

2齿轮箱中常见的齿轮故障齿轮箱的高可靠性和易维修性是风力发电机组的关键技术保障，风电场运行中，齿轮箱的故障主要集中在润滑系统、液压系统、齿轮损坏三个方面。其中，齿轮箱中齿轮的故障主要表现为局部断齿、齿轮磨损、点蚀、齿面胶合、疲劳裂纹等。

2.1局部断齿齿轮的局部断齿通常是由细纹和裂缝发展导致，产生的原因主要有过载折断、疲劳折断、随机断裂等原因。其中，过载折断是由于轴承损坏、外部冲击等原因，导致作用在齿轮上的应力持续较大，超过了齿轮的极限承受应力导致；疲劳折断多因为齿轮材料不佳，导致齿轮长期运行在交变应力下，产生长期疲劳，裂纹不断扩展，最终断裂；随机断裂的原因较多，比如有硬物进入齿轮啮合区、齿轮根部突遇外力冲击等。

2.2齿轮磨损磨损是指齿轮表面金属损耗严重，轻度的磨损尚不至于影响风电机组运行，但破坏性磨损将导致齿轮轮廓破坏，降低齿轮的寿命，影响齿轮的平稳性。齿轮磨损的部位主要集中于齿轮的啮合面和渐开线工作面，与齿轮箱过载和润滑剂不洁有较大关系，另外，齿轮铸造后留下的砂片、金属片、杂质也是齿轮磨损的重要原因。

2-3齿轮点蚀齿轮点蚀是指齿轮在交变应力作用下，齿面接线附近产生的裂纹带来的齿轮表明剥落、出现凹坑等现象。点蚀出现的原因和齿轮材料硬度不高、齿轮箱过载、荷载不均等情况有关，近年来，随着我国风电场容量的不断扩大，500kW 以上的风电机组多采用平行轴和行星轮的混合结构，风机的轮毂高度增加，齿轮箱受力更加复杂，气流的不稳定性和复杂的交变荷载使得齿轮点蚀的几率变大。

2.4齿面胶合齿轮胶合是指齿轮的啮合表面边界膜被破坏，导致接触齿面的金属熔焊并撕落的现象『合与润滑条件不够、齿轮工作温度高等原因有关。我国大型风力发电厂多建立在风力资源丰富的北方，北- l20-方气温较低，-些风电场的极端最低气温达到-40℃以下，而风力发电机组的设计最低运行气温在-20C左右，长期的低温运行对齿轮箱提出了严峻考验，必需对齿轮箱加温 ，加温过程中，遇到风速持续偏低或停风时，齿轮油会变稠，无法得到充分润滑，很容易导致齿面胶合等故障。此外，润滑剂散热性能不好，导致齿轮过热也会产生巨大损坏。

2.5疲劳裂纹齿轮的疲劳裂纹与齿轮啮合过程中的相对运动、脉动荷载、剪应力过大等有关，疲劳裂纹可以表现为破坏性点蚀、齿轮表明剥落、损坏等现象，严重者会发生断齿。疲劳裂纹的存在是-个慢性发展的过程，裂纹的存在轻则影响功率传递，产生噪音，重则使得风电机组运行受影响，导致停机。

3齿轮箱中齿轮故障的振动分析齿轮箱的故障诊断方法中，最常用的是振动频谱分析，它建立在传统的振动理论基础上，通过对振动数据和波形的采集和分析，进行详细的分析诊断，找出准确的故障部位。

振动分析进行齿轮故障诊断的原理如下 ：将齿轮看做-个振动系统，根据傅里叶变换的理论，将齿轮的振动信号分解为基波和-系列谐波分量的和。齿轮故障后，齿轮的振动特性会发生-系列的变化，反应在振动信号中，体现为信号畸变、啮合频率处频谱值显著变大，通过这些特征，可以较为准确的定位出齿轮的各种故障。

4结束语根据数据统计，在风电齿轮箱的损坏类型中，齿轮的故障比例高达 60%，已经超过了其它部件(轴承、轴、箱体、紧固件、油封等)的故障之和，对齿轮箱状态监测的研究、故障诊断技术的提升、故障分析系统的开发，依然任重而道远。